CN1334914A - 制造振动结构陀螺的方法 - Google Patents

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Abstract

一种振动结构陀螺,其制造方法如下:在玻璃或硅基片(7)上沉积光刻胶(9),对光刻胶(9)进行硬化、图形制备及显影,以暴露出基片(7)的某些区域,对这些暴露区域进行刻蚀以形成凹槽(10),剥离剩余的光刻胶(9),在形成凹槽的基片(7)上粘附硅层(8)并在硅层(8)上沉积一层铝,在铝层上沉积光刻胶,对光刻胶进行硬化、图形制备及显影,以暴露出铝层的某些区域,对铝层的暴露区域进行刻蚀,在硅层部分区域留下铝从而形成压焊区(11,12,13和14),在结构上形成一层以上的图形化的光刻胶层,对硅层(8)上的暴露区域进行反应性离子深刻蚀,从而构成靠轴心(4)固定在凹槽(10)上方的平面环形振动结构(1)。

Description

制造振动结构陀螺的方法
本发明涉及一种制造振动结构陀螺的方法，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构，以及用于向该振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置。这种制造方法尤其适用于通过微细加工来生产振动结构陀螺。
微细加工型振动结构陀螺能够以较低的单位成本进行大量生产。这为新兴商业应用领域开拓了多样性，例如汽车底盘控制与导航系统以及便携式摄录机致稳等。
传统的振动结构陀螺可利用各种谐振器设计结构来加以构造。这些结构包括振动梁、音叉、汽缸、半球形壳及环。由于微细加工工艺固有的平面特性，并非所有这些结构都适于进行微细制造。晶片加工技术在晶片平面内产生的尺寸误差和对准精度均很高。对于环形结构来讲，所有谐振运动均发生在环形平面内，因此正是这些尺寸对于器件性能起着最为关键的作用。因而平面环形结构尤其适于采用这些方法来生产，并已有若干已知设计方案。这些方案包括文献EP-B-0619471，EP-A-0859219，EP-A-0461761中所描述的电感式驱动与检测装置，以及文献US-A-5547093中另外描述的电容式驱动与检测装置。
在前面提到的电感器件中，谐振器结构是由晶体硅片刻蚀而成的。然而需要对其施加磁场以产生传感器作用。采用由永久磁铁和异形磁极片组成的磁路可方便地实现这一目的。这些都必须采用传统的加工技术来制造，并且需要与谐振器结构进行后续组装并精确对准。这就限制了器件可能达到的小型化程度，并大大增加了单位成本。
文献EP-B-0619471中描述的器件也是由晶体硅片刻蚀而成的，但其优点是采用了晶片加工与组装技术来制造驱动与拾取传感器结构，而无需操作其它非微细加工元件。于是其设计与制造方法可以与器件尺寸相兼容，该尺寸比电感器件的尺寸要小得多。该设计方案采用一叠三层粘合晶片，各晶片必须单独处理并精确对准。传感器的增益系数取决于晶片之间形成谐振腔的深度，因而其器件特性也取决于此。尽管微细制造工艺能够在晶片平面内提供精确的对准及容差，但对该第三条轴线的尺寸控制精确度较低会导致器件特性产生难以估量的变化。这种器件的另一缺点是制造步骤繁多并且需要进行双面晶片加工。因此，尽管该设计方案确实可以制成潜在的小型器件，且不需要制造及组装磁路元件，但制造的复杂性仍会导致单位成本提高。
文献US5547093中描述的器件也具有驱动与拾取传感器结构，该结构是采用晶片加工技术生产的并且能够进行小尺寸制造。该设计另外的优点是：关键性的传感器间隙都处于硅片平面内，因而可精确加以控制。然而，与前述器件不同，此时谐振器是由电成形金属构造而成的。对于由晶体硅刻蚀成的器件，制造谐振器所用材料的机械性能不受制造工艺的影响。任何振动结构陀螺的性能主要取决于谐振器机械性能的本来特性和稳定性。晶体硅片能够支持具有谐振特性的高Q值振荡，该特性对于温度是稳定的，因而晶体硅片是一种理想的谐振器材料。电成形金属难以与晶体硅之近似最佳弹性与均匀性相配。为了使沉积工艺的均匀性达到最优化，必须保持恒定的特征尺寸。这就要求振动结构中环和支架的宽度相等，且严格限制了谐振器尺寸设计的灵活性。所构成结构的模态特征受谐振器支架所支配，且产生潜在的安装灵敏度问题并使模态平衡过程复杂化。制造这种结构是一个复杂过程，包含许多加工步骤，这又反过来会影响器件晶片的产量及制造成本。
GB专利申请第9817347.9号描述了一种电容式驱动与检测的环形振动结构即谐振器，它可由大块晶体硅制成。该结构的平面图示于图1中。
需要有一种方法来制造这种陀螺以达到更高精度，同时确保所构成的振动结构能够保持硅的机械特性。
本发明的一个方面是提供一种制造振动结构陀螺的方法，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构，用于向该振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置，以及电容装置周围的屏蔽层，该方法包括以下步骤：在平板状玻璃或硅基片的表面之一上沉积第一层光刻胶，对第一层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出基片的选定区域，对基片的所述暴露区域进行刻蚀以形成凹槽，将形成凹槽的基片上剩余的第一层光刻胶剥离，在基片形成所述凹槽的表面上粘附一层硅，在硅层最远离其与基片相粘附表面的另一表面上沉积一层铝，在铝层相对于硅层的最外表面上沉积第二层光刻胶，对第二层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出铝层的选定区域，对铝层的所述选定区域进行刻蚀，在硅层部分区域留下铝从而形成：用于使屏蔽层接地的压焊区、用于形成电容式驱动与检测装置接点的压焊区、以及用于与硅质基本上呈平面环形的振动结构接电的压焊区，从铝层剥离剩余的第二层光刻胶，在硅层上沉积第三层光刻胶，覆盖住剩余的沉积有铝层的区域，对第三层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出硅层的选定区域，对硅层上暴露的选定区域进行反应性离子深刻蚀，以使硅层构成：电容式驱动与检测装置、周围屏蔽层，以及靠轴心固定在基片凹槽上方的平面环形振动结构，使该环形结构能够自由振荡，并且使电容式驱动与检测装置、屏蔽层以及环形振动结构彼此之间电绝缘。
光刻胶最好是通过旋转涂布法(甩胶)来沉积并通过烘焙加以硬化。
利用各向同性湿法刻蚀工艺可便利地对基片选定区域加以刻蚀，该区域是通过对第一层光刻胶显影而暴露出来的。
有利地，基片可由玻璃制成，硅层通过阳极耦合附着在其上。
或者，基片也可由硅制成，其受热氧化产生表面氧化层，硅层通过熔接附着在其上。
通过溅射可便利地将铝层附着在硅层上。
最好采用磷酸基处理工艺对铝层上的暴露区域进行刻蚀。
为了更好地理解本发明并展示如何实现本发明，下面将通过示例并参照附图加以说明，附图中：
图1是从电容式驱动与检测环形振动结构即谐振器陀螺上方所见的示意图，该结构并非根据本发明而是如GB专利申请第9817347.9号所描述及要求保护的结构；
图2是对应于图1中A-A线的横截面图，示出了根据本发明制造如图1所示陀螺之方法中的第一阶段；
图3是与图2相似的视图，示出了本发明之方法中的另一阶段；
图4是与图2和3相似的视图，示出了本发明之方法中的又一阶段，以及
图5是沿图1中A-A线所做的横截面图，示出了本发明之方法中的另一阶段。
根据本发明的制造振动结构陀螺的方法适用于制造如图1所示的陀螺，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构1，它由基本呈平面环形的硅质谐振器2构成，并通过硅质支架3来支承，该支架从环形谐振器2向内伸到中央硅质轴心4。图1所示陀螺具有：用于向环形谐振器2传递驱动运动的电容式驱动装置5，以及用于检测并拾取环形谐振器2之运动的电容式检测装置6。陀螺装置包含由玻璃制成的基片，如图2至5所示，其热膨胀系数与硅层8的热膨胀系数相匹配，以使热致应力达到最小。可选地，基片7也可由硅制成，使得其热膨胀系数与硅层8的热膨胀系数精确相等。
用于制造如图1所示类型振动结构陀螺的本发明方法包括以下步骤：在平板状玻璃或硅基片7的表面之一沉积第一层光刻胶9，如附图2所示。所用光刻胶最好为工业标准的“正性光刻胶”，例如ShipleyS1818SP16。第一层光刻胶9最好是通过旋转涂布沉积在基片7上。然后通过烘焙等对第一层光刻胶9进行硬化、利用曝光掩模形成图形并显影，将基片7上的选定区域暴露出来以进行后续刻蚀。然后对基片7的暴露区域进行刻蚀，例如可采用各向同性湿法刻蚀工艺，从而在基片7中形成如图2所示的凹槽10。凹槽10的加工形状使后续将成形的陀螺的支架3及环形谐振器2能够自由振荡。凹槽深度一般为20到30微米，也可在基片7内刻蚀出图中未示出的对准键，以使后续掩模能够与凹槽10精确对准。然后将剩余的第一层光刻胶9从形成凹槽的基片7上剥离。
当基片7由玻璃制成时，硅器件层晶片8通过阳极耦合附着在基片7的凹槽表面，如附图3所示。晶片层8可在耦合前减薄到理想厚度或在耦合后减薄。阳极耦合工艺就是将基片7和晶片层8形成紧密接触、加热到大约摄氏400度并在玻璃基片7与硅层8之间施加约1000伏电压。
可选地，当基片7由硅制成时，是通过加热氧化产生约1微米厚的表面氧化层，于是层8的氧化表面通过熔接附着在硅基片7的凹槽表面。之后的处理工艺包括使层8与基片7的表面紧密接触并加热到大约摄氏600度。这一工艺要求层8和基片7的表面非常平并且不能有表面玷污。
镀金属与刻蚀步骤要求这些步骤所用掩模与凹槽10精确对准。当采用玻璃基片7时，透过粘合的硅层与基片层的底侧可看到对准键。利用双面对准器可使镀金属掩模与刻蚀掩模与这些键精确对准。当采用硅基片7时，不可能看到粘合表面的特征。在此情况下，必须在基片7的底面构造对准键。这就要求使用另一附加的掩模，使这些键通过一个双面对准器与凹槽表面各键对准。
如果基片7上的对准键穿过层8露出，则有可能不需要使用双面对准装置。这就要求对硅层8上对准键周围区域进行刻蚀。在采用各向同性干法刻蚀工艺时，需要另一刻蚀掩模以便利地除去硅。暴露区域应足够大以保证对准键完全露出，而无需与基片晶片(例如4毫米×4毫米的孔)精确对准。当对准键露出粘合的基片表面之上时，后续掩模可使用单面对准装置。
本发明的下一步骤是在硅层8的表面上沉积一层铝(未示出)，该表面是指与基片7相粘合表面相距最远的表面。优选的是通过溅射来沉积铝。然后最好通过旋转涂布法将第二层光刻胶(未示出)沉积到铝层上相对硅层8的最外侧表面上，最好通过烘焙加以硬化，并进行图形制备及显影，以暴露出铝层的选定区域。然后最好采用磷酸基处理工艺对铝层的暴露区域进行刻蚀，在硅层8的部分区域留下铝，以形成如附图4所示的压焊区。
以上述方式设置有：用于使屏蔽层接地的压焊区11、以及用于使驱动与拾取(检测)结点分别与外部电路(未示出)相连的其它压焊区12和13。还设有压焊区14，用于使环形谐振器2接电。
然后将剩余的第二层光刻胶从铝层亦即从压焊区11、12、13和14上剥离，再将第三层光刻胶最好通过旋转涂布法沉积到硅层8的暴露表面，覆盖住沉积有铝的压焊区11、12、13和14。然后最好通过烘焙对第三层光刻胶加以硬化，并进行图形制备及显影，以暴露出硅层8的选定区域。在对第三层光刻胶曝光和显影前，将刻蚀掩模对准基片7上的凹槽对准键。对硅层8上暴露的选定区域进行反应性离子深刻蚀，从而形成基本呈平面环形的振动结构，亦即：位于基片凹槽10上方装在轴心4上的支架3和环形谐振器2、电容式驱动与检测装置5和6、以及谐振器2和驱动与检测装置5、6周围的屏蔽层15，如附图1和5所示。这些结构安装在绝缘的基片7表面上，使各个结构之间彼此绝缘。采用专利技术“反应性离子深刻蚀(DRIE)工艺进行刻蚀，该工艺能够在硅中形成具有近乎直壁的深窄沟槽14，其深宽比最高可达约40∶1。刻蚀工艺包括：利用氟基等离子体将自然产生化学腐蚀的硅去除，并通过氟聚合物钝化步骤对所刻蚀部件的侧壁进行钝化。通过在计算机控制下调整各步骤，可在硅中生成具有高精度及高质量的直壁部件。
硅的刻蚀率比玻璃要高得多，因而玻璃基片7将起到阻止刻蚀的作用。这将使驱动焊区12和拾取焊区13通过硅层8粘附在基片7上，并且与周围的屏蔽层15形成电绝缘。然后将剩余的第三层光刻胶从铝层上剥离。
在操作中，借助施加在电容驱动结点5的振荡电压激励并控制陀螺以谐振频率运动。通过拾取电容器间隙之间的电流来检测环所产生的运动。若驱动信号与拾取信号容性偶合引发乱真信号，则会导致陀螺性能出现误差。可借助屏蔽层15使这种偶合降到最小程度，该屏蔽层在层8平面内包围住每个电容结点的所有侧面，只有面对环形谐振器2的一面除外。屏蔽层15通过位于上表面的导线焊区11外接地电势。
在基片7为硅的情况下，由于层8材料的有限导电性，还存在另外一条电容偶合路径。驱动信号可能偶合到基片7中，基片7仅通过层8与层7之间的薄(~1微米)氧化层与驱动电容器的底表面相隔。继而有可能再偶合回到拾取电容器结点内。通过将基片7接地有可能排除这种偶合。如果组件2安装在金属外壳(未示出)中，则可通过将基片底表面与外壳表面直接接触而方便地实现这一目的，例如，可采用导电的环氧树脂。然后可通过外部电路使外壳接地。当不方便这样做时，通过改进加工工艺，可以方便地通过焊接线与上表面相连。这就要求在基片7的角落处在屏蔽层15中刻蚀另外的进入孔，可通过改变刻蚀掩模实现这一点。借助氧化物选择性干法刻蚀工艺将这些孔底部暴露的氧化物除去，于是可将导电的基片表面露出。为了便于与基片7接电，需要有另外的金属化工艺步骤。于是可利用简单的障板技术将铝等金属沉积在孔的表面。然后可借助金属的孔表面与屏蔽层压焊区11之间的焊接线实现接地。
在一块玻璃或硅基片上可以制成若干个陀螺器件，并在加工后切割成小块来分开。或者也可在基片7上锯出沟槽，其深度足以允许随后沿锯断线切分成单个器件。在层8与基片7粘合后可以方便地立刻做到这一点。这样做的优点在于：在锯开过程中所产生的碎屑出现在刻蚀狭窄沟槽14之前。切分工艺将不产生碎屑，于是降低了阻塞沟槽14并因此阻止环形谐振器2自由振荡的风险。
本发明之制造方法所产生的结构可保持硅层8的机械特性。谐振器的关键性尺寸误差和驱动与拾取传感器间隙14均限定在层8平面内。利用标准掩模与反应性离子深刻蚀技术可以高精度地制造这些结构。这些技术与制造小尺寸陀螺器件的技术完全兼容，而且还可以用于制造更宽尺寸范围的器件而无需进行明显变动。该方法还对单面加工工艺提供了以最少工艺步骤进行高产量、低成本制造的方法。

Claims (8)

1.一种制造振动结构陀螺的方法，该陀螺具有硅质基本上呈平面环形的振动结构、用于向该驱动振动结构传递驱动运动并检测其运动的电容装置、以及电容装置周围的屏蔽层，该方法包括以下步骤：
在平板状玻璃或硅基片的表面之一上沉积第一层光刻胶，
对第一层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出基片的选定区域，
对基片的所述暴露区域进行刻蚀以形成凹槽，
将形成凹槽的基片上剩余的第一层光刻胶剥离，
在基片形成所述凹槽的表面上粘附一层硅，
在硅层最远离其与基片相粘附表面的另一表面上沉积一层铝，
在铝层相对于硅层的最外表面上沉积第二层光刻胶，
对第二层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出铝层的选定区域，
对铝层的所述选定区域进行刻蚀，在硅层部分区域留下铝从而形成：用于使屏蔽层接地的压焊区、用于形成电容式驱动与检测装置接点的压焊区、以及用于与硅质基本上呈平面环形的振动结构接电的压焊区，
从铝层剥离剩余的第二层光刻胶，
在硅层上沉积第三层光刻胶，覆盖住剩余的沉积有铝层的区域，
对第三层光刻胶进行硬化、图形制备及显影，以暴露出硅层的选定区域，
对硅层上暴露的选定区域进行反应性离子深刻蚀，以使硅层构成：电容式驱动与检测装置、周围屏蔽层，以及靠轴心固定在基片凹槽上方的平面环形振动结构，使该环形结构能够自由振荡，并且使电容式驱动与检测装置、屏蔽层以及环形振动结构彼此之间电绝缘。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：光刻胶是通过旋转涂布法来沉积并通过烘焙加以硬化。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：利用各向同性湿法刻蚀工艺对基片选定区域进行刻蚀，该选定区域是通过对第一层光刻胶显影而暴露出来的。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：基片由玻璃制成，硅层通过阳极耦合附着在其上。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：基片由硅制成，其受热氧化产生表面氧化层，硅层通过熔接附着在其上。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：通过溅射将铝层附着在硅层上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：采用磷酸基处理工艺对铝层上的暴露区域进行刻蚀。
8.一种制造振动结构陀螺的方法，该陀螺基本如前所述并如附图2至5中的图解说明。
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